電路中常見的內(nèi)部噪聲及外部噪聲源

　　為了成功設(shè)計(jì)一個(gè)魯棒的系統(tǒng)，了解噪聲源至關(guān)重要。就低壓差(LDO)調(diào)節(jié)器而言或者說任何電路，噪聲源都可以分為兩大類：內(nèi)部噪聲和外部噪聲。

　　噪聲重要與否，取決于它對(duì)目標(biāo)電路工作的影響程度。

　　例如，一個(gè)開關(guān)電源在3 MHz時(shí)具有顯著的輸出電壓紋波，如果它為之供電的電路僅有幾Hz的帶寬，如溫度傳感器等，則該紋波可能不會(huì)產(chǎn)生任何影響。但是，如果該開關(guān)電源為RF鎖相環(huán)(PLL)供電，結(jié)果可能大不相同。

　　為了成功設(shè)計(jì)一個(gè)魯棒的系統(tǒng)，了解噪聲源至關(guān)重要。就低壓差(LDO)調(diào)節(jié)器而言或者說任何電路，噪聲源都可以分為兩大類：內(nèi)部噪聲和外部噪聲。

　　內(nèi)部噪聲好比是您頭腦中的噪聲

　　外部噪聲則好比是來自噴氣式飛機(jī)的噪聲

　　對(duì)于電子電路，內(nèi)部噪聲是指任何電子器件內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲，外部噪聲則是指從電路外部傳到電路中的噪聲。

　　圖1. 顯示內(nèi)部和外部噪聲源的簡(jiǎn)化LDO框圖

　　內(nèi)部噪聲有許多來源，各種噪聲源都有自己獨(dú)一無二的特性。內(nèi)部噪聲主要有以下幾類：熱噪聲、1/f噪聲、散粒噪聲、爆裂或爆米花噪聲。圖2顯示了一個(gè)典型器件的噪聲如何隨頻率而變化，以及各類噪聲對(duì)總噪聲的貢獻(xiàn)。從1/f區(qū)到熱區(qū)的躍遷點(diǎn)稱為轉(zhuǎn)折頻率。

　　圖2. 典型噪聲功率與頻率的關(guān)系

　　熱噪聲，隨機(jī)但有通式

　　在絕對(duì)零度以上的任何溫度，導(dǎo)體或半導(dǎo)體中的載流子(電子和空穴)會(huì)發(fā)生擾動(dòng)，這就是熱噪聲(亦稱約翰遜噪聲或白噪聲)的來源。熱噪聲功率與溫度成比例。它具有隨機(jī)性，因而不隨頻率而變化。熱噪聲是一個(gè)物理過程，可以通過下式計(jì)算：

　　Vn = √(4kTRB)

　　k表示波爾茲曼常數(shù)(1.38−23 J/K)

　　T表示絕對(duì)溫度(K = 273°C)

　　R表示電阻(單位Ω)

　　B表示觀察到噪聲的帶寬(單位Hz，電阻上測(cè)得的均方根電壓也是進(jìn)行測(cè)量的帶寬的函數(shù))

　　粉紅浪漫?NO，這里只有1/f 噪聲

　　1/f 噪聲來源于半導(dǎo)體的表面缺陷，聲功率與器件的偏置電流成正比，并且與頻率成反比，這一點(diǎn)與熱噪聲不同。即使頻率非常低，該反比特性也成立，然而，當(dāng)頻率高于數(shù)kHz時(shí)，關(guān)系曲線幾乎是平坦的。1/f 噪聲也稱為粉紅噪聲，因?yàn)槠錂?quán)重在頻譜的低端相對(duì)較高。

　　1/f 噪聲主要取決于器件幾何形狀、器件類型和半導(dǎo)體材料，因此，要?jiǎng)?chuàng)建其數(shù)學(xué)模型極其困難，通常使用各種情況的經(jīng)驗(yàn)測(cè)試來表征和預(yù)測(cè)1/f噪聲。

　　一般而言，具有埋入結(jié)的器件，如雙極性晶體管和JFET等，其1/f 噪聲往往低于MOSFET等表面器件。

　　有勢(shì)壘的地方的就有散粒噪聲

　　散粒噪聲發(fā)生在有勢(shì)壘的地方，例如PN結(jié)中。半導(dǎo)體器件中的電流具有量子特性，電流不是連續(xù)的。當(dāng)電荷載子、空穴和電子跨過勢(shì)壘時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生散粒噪聲。像熱噪聲一樣，散粒噪聲也是隨機(jī)的，不隨頻率而變化。

　　低頻噪聲——爆米花噪聲

　　爆米花噪聲是一種低頻噪聲，似乎與離子污染有關(guān)。爆米花噪聲表現(xiàn)為電路的偏置電流或輸出電壓突然發(fā)生偏移，這種偏移持續(xù)的時(shí)間很短，然后偏置電流或輸出電壓又突然返回其原始狀態(tài)。這種偏移是隨機(jī)的，但似乎與偏置電流成正比，與頻率的平方成反比(1/f2)。

　　爆裂噪聲，幾乎已被消除

　　爆裂噪聲和爆米花噪聲相同，也是一種低頻噪聲，似乎與離子污染有關(guān)。但由于現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝技術(shù)的潔凈度非常高，爆裂噪聲幾乎已經(jīng)被消除，不再是器件噪聲的一個(gè)主要因素。

　　外部噪聲外部噪聲源遠(yuǎn)多于內(nèi)部噪聲源，包括以下幾類：

　　• 耦合到敏感電路中的電磁場(chǎng)。

　　• 導(dǎo)致壓電材料產(chǎn)生干擾交流電壓的機(jī)械沖擊或振動(dòng)。

　　• 來自其他電路，通過電源或設(shè)計(jì)不佳的PCB布局布線傳導(dǎo)或輻射到電路中的噪聲。